Standardizzazione e verifica dell'accuratezza dei sistemi ottici

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1 Standardizzazione e verifica dell'accuratezza dei sistemi ottici Simone Carmignato Università di Padova DIMEG Enrico Savio Università di Padova DIMEG Michele Verdi DEA S.p.A. SOMMARIO La memoria introduce il problema della standardizzazione delle interfacce sensore-macchina e della definizione di procedure comuni per le prove di accettazione e di verifica periodica dell accuratezza dei sistemi di misura ottici. La verifica di prestazioni delle moderne tecnologie di digitalizzazione tridimensionale è un compito complesso che coinvolge molteplici aspetti e richiede ulteriore lavoro di ricerca e normazione per affrontare problematiche attualmente irrisolte. Viene quindi presentato l attuale quadro di riferimento tecnico-normativo a livello internazionale, mettendone in evidenza le limitazioni. Successivamente l articolo presenta l iniziativa OSIS, un progetto internazionale di ricerca industriale a cui partecipano tutti i principali costruttori di macchine di misura a coordinate e i più importanti costruttori di sistemi di misura ottici. Tale progetto ha tra i suoi obiettivi prioritari la definizione di procedure comuni per le prove di verifica dell accuratezza dei sistemi di misura ottici, molto importanti nella fase di confronto, scelta e successivo collaudo dei sistemi. PAROLE CHIAVE Sistemi ottici; Standardizzazione; Verifica dell accuratezza INTRODUZIONE Esistono oggi sul mercato molti e diversi sistemi di digitalizzazione che permettono l acquisizione di nuvole di punti su oggetti fisici, per consentire successive elaborazioni al CAD o direttamente la lavorazione di componenti sulla base della geometria digitalizzata. I sistemi senza contatto, recentemente, hanno raggiunto livelli di accuratezza e rapidità di acquisizione tali da giustificarne la crescente diffusione in svariate applicazioni, anche per la misura ed il controllo geometrico-dimensionale di prodotti industriali [1], [2]. Ciò comporta la necessità, da parte dell utilizzatore, di poter conoscere e verificare l accuratezza dei sistemi di digitalizzazione, al fine di essere in grado di confrontare correttamente i diversi sistemi disponibili sul mercato, scegliere il prodotto più adatto per la propria applicazione e successivamente concordare con il fornitore i test per il collaudo in accettazione del sistema. Purtroppo oggi esiste una carenza di norme e/o guide che definiscano le procedure di prova per tali verifiche. Allo stato attuale, le specifiche di accuratezza dei sistemi, fornite dai costruttori, sono spesso poco chiare e le procedure dalle quali tali specifiche sono desunte variano da un produttore all altro. Le norme relative ai sistemi di misura a contatto non sono direttamente applicabili ai sistemi ottici, in quanto esistono fonti di errore aggiuntive, tipiche dei sistemi non a contatto. Nella misura con tali sistemi, infatti, l accuratezza è influenzata da molti fattori [3]. Oltre ai fattori hardware intrinseci del sistema, legati alla stabilità meccanica, agli errori geometrici della struttura ed alle caratteristiche del sensore e dell elettronica, hanno una forte influenza anche variabili ambientali quali le condizioni d illuminazione e la temperatura. Anche le caratteristiche dell oggetto (rugosità superficiale, colore, opacità, accessibilità, curvatura delle superfici e presenza di spigoli), le strategie di misura (campo di risoluzione impiegato, metodologia di calibrazione e sistema di coordinate scelto per l allineamento) e 1

2 gli algoritmi di elaborazione (filtraggio dei punti acquisiti, registrazione di più viste, eccetera) incidono molto sull incertezza. Infine non è da trascurare il peso di altri fattori estrinseci come l azione dell operatore, la pulizia delle superfici ed il sistema di fissaggio. In figura 1 è riportato uno schema con i principali fattori di influenza. Hardware: ottica stabilità meccanica sensore ed elettronica Fattori ambientali: illuminazione temperatura vibrazioni Oggetto: rugosità superficiale colore e opacità accessibilità Accuratezza della misura Strategia misura: campo di risoluzione metodologia taratura sistema di coordinate Elaborazione dati: filtraggio dei punti acquisiti registrazione di più viste implementazione algoritmi Fattori estrinseci: operatore pulizia delle superfici sistema di fissaggio Figura 1: Parametri che influenzano l accuratezza dei sistemi ottici. IL QUADRO NORMATIVO INTERNAZIONALE La ISO :2001 [4] è la norma fondamentale che regola la verifica di prestazioni e l assicurazione di qualità nel settore delle macchine di misura a coordinate (CMM). Essa ne definisce i test di accettazione e di verifica periodica, utili rispettivamente per accettare un sistema di misura all acquisto o dopo un intervento manutentivo, e per controllare periodicamente la prestazione del sistema di misura anche ai fini dell assicurazione di qualità. Allo stato attuale, il campo di applicazione della norma è limitato a macchine di misura cartesiane con sistemi tastatori a contatto. In mancanza di altre norme scritte esplicitamente per i sistemi di misura non a contatto, il test ISO rimane l unico riferimento internazionale per la verifica di prestazioni dei sistemi di misura tridimensionali. Specificatamente per i sistemi ottici, in ambito ISO è chiaro che quest area in così forte sviluppo tecnologico non può essere semplicemente ignorata; per tale ragione, nelle ultime riunioni del gruppo di lavoro ISO che si occupa di CMM (ISO/TC 213/WG10) si è deciso di avviare la riflessione su una nuova norma (che presumibilmente prenderebbe il nome ISO ) che tratti proprio dei sistemi di misura non a contatto. Tuttavia il lavoro è in fase ancora estremamente preliminare e la pubblicazione di una norma che regoli il settore ottico è prevista solo nel lungo periodo. Per il momento, in attesa dello sviluppo di norme riconosciute a livello internazionale, ci si deve limitare all applicazione delle linee guida nazionali che regolano la verifica di prestazioni dei sistemi ottici, sottostando in ogni caso alle regole più generali definite in ambito ISO per i sistemi di misura in genere. Anche il lavoro svolto dagli enti normativi nazionali, tuttavia, non è ancora giunto alla definizione di norme che coprono in modo completo la verifica di prestazioni dei sistemi non a contatto. In ambito VDI (organizzazione tecnico-scientifica tedesca), ad esempio, la serie VDI/VDE 2617, che stabilisce le linee guida per la verifica di accuratezza delle macchine di misura a coordinate, include già anche una parte (la parte 6) riguardante i sensori ottici [5], [6], [7]; ma una nuova versione più completa, che ne modificherà sostanzialmente l impostazione, è già in corso di sviluppo e sarà pubblicata a breve. Qui di seguito si riporta un elenco ragionato delle norme attualmente esistenti a livello nazionale ed internazionale, che costituiscono il presente riferimento per la verifica delle prestazioni dei sistemi di misura tridimensionali. Documenti e norme internazionali di interesse metrologico generale: - Il VIM [8], vocabolario terminologico di riferimento; - La GUM [9], guida all espressione dell incertezza delle misure; 2

3 - La ISO [10], che, nell ambito delle specifiche geometriche dei prodotti, stabilisce i termini di riferimento per definire gli elementi geometrici. - La ISO [11], che definisce le regole per stabilire la conformità o non conformità rispetto alle specifiche, tenendo conto dell incertezza di misura come illustrato in figura 2. Figura 2: Regole per stabilire la conformità rispetto alle specifiche; norma UNI EN ISO [11]. Norme ISO sulle macchine a coordinate: - La serie ISO [4], che stabilisce le procedure di accettazione e verifica periodica delle prestazioni metrologiche per le CMM. - La serie ISO [12] (di cui al momento è pubblicata la sola parte 3), che definisce i metodi per il calcolo dell incertezza delle misure eseguite su CMM. Norme e linee guida nazionali su sensori ottici e macchine a coordinate: - Le guide americane ANSI/ASME B [13], sui metodi per la verifica di prestazioni delle CMM, e ANSI/ASME B (ancora in fase di stesura), sulla verifica di prestazioni di CMM nel caso specifico di impiego dei sensori ottici. - La norma tedesca DIN [14], che riguarda specificamente i sensori ottici per le misure geometrico-dimensionali. - Le guide tedesche VDI/VDE 2617, parte 6 [5], 6.1 [6] e 6.2 [7] (in fase di revisione), sull accuratezza delle CMM con sensori ottici. - Le guide tedesche VDI/VDE 2634 [15], [16], che trattano i sistemi ottici 3D per la misura di superfici con modalità punto-punto e in scansione. IL PROGETTO OSIS A fronte delle lacune del quadro normativo internazionale nel settore dei sistemi ottici, i principali costruttori mondiali di macchine di misura a coordinate e di sensori ottici hanno intrapreso un progetto di cooperazione, denominato OSIS (Optical Sensor Interface Standard), che ha l obiettivo di promuovere l'integrazione e la standardizzazione dei sensori ottici sulle macchine a coordinate. Il progetto, avviato tre anni fa su iniziativa della ia.cmm (International Assotiation of CMM Manufacturers), ha prodotto alcuni documenti, di cui stanno per essere pubblicate le prime versioni [17], [18], che costituiscono un importante punto di intesa tra i costruttori e un passo fondamentale per stabilire l interscambiabilità e definire le procedure di verifica di prestazioni per i sistemi ottici. All interno di OSIS sono attivi tre gruppi di lavoro: WG1 Mechanical and electrical interface, per l integrazione hardware; WG2 Data interface, per l integrazione software; WG3 Specifications, classifications and performance verifications, per la definizione delle specifiche e delle procedure di verifica delle prestazioni. Il gruppo di lavoro che ha per obiettivo la classificazione, la specifica e la verifica dei sensori ottici, il WG3, è coordinato dall azienda italiana DEA SpA. L intenzione del gruppo di lavoro è stata fin dall inizio quella di fornire dei criteri di validità del tutto generale, che possano essere applicati indifferentemente a tutti i sistemi, dal singolo sensore alla più generica applicazione in un qualsiasi processo di misura. Le 3

4 norme già in vigore a livello internazionale sono state prese come riferimento principale su cui definire la classificazione, le specifiche e i criteri di verifica. Nel seguito sono presentati i punti principali dell attività del gruppo di lavoro OSIS/WG3. Glossario OSIS Uno degli sforzi prioritari del gruppo di lavoro OSIS/WG3 è stato quello di redigere un glossario dei termini da utilizzare per descrivere chiaramente e senza ambiguità la classificazione, le specifiche e la valutazione delle prestazioni dei sistemi ottici. La struttura del glossario prevede la suddivisione in termini già definiti in altri documenti (principalmente VIM [8] e ISO [4]) e termini introdotti da OSIS/WG3. La definizione dei termini e la loro spiegazione è data in lingua inglese. In figura 3 si riporta l esempio di alcuni termini definiti nel glossario. Term Trigger mode Probe coordinate system Measuring range Reference to OSIS document OSIS/WG3 Reference to international standard OSIS/WG3 - Classificazione dei sensori OSIS/WG3 Vim 2/ Explanation Mode of operation in which the OPS reports a trigger signal but no feature data. In this mode the OPS is used like a touch trigger probe. Interface 3 is not used for feature reporting but could be used for OPS setting. Cartesian right-handed r, s, t coordinate system that defines the origin and orientation in space. The origin must be within the measuring volume. The orientation must be parallel to the main measuring direction(s). The versus of t-axis must point toward the probe. The OPS manufacturer must define the coordinate system. Set of values of measurand for which the error of a measuring instrument is intended to lie within specified limits. The measurand are the r, s and t value in the probe coordinate system. Refer also to probing structure. Measuring range is a subset of probing structure. Figura 3: Esempio di termini definiti nel Glossario OSIS. Un altro punto fondamentale del lavoro di OSIS/WG è la definizione di una classificazione dei sensori ottici. La classificazione è necessaria per assicurare: - la chiara comprensione della tecnologia impiegata dal sensore, - l associazione immediata della tecnologia del sensore e del task di misura richiesto, - l identificazione rapida della tecnologia del sensore per mezzo di un codice alfanumerico. La classificazione OSIS, effettuata sulla base delle caratteristiche fondamentali del sensore, identifica in particolare: - il tipo di movimentazione, - il tipo di output dei punti misurati, - la modalità di acquisizione dei punti (acquisizione simultanea, sequenziale o di un singolo punto), - la possibilità di calcolare elementi geometrici complessi dai dati acquisiti, - il tipo di illuminazione. Four shell approach L approccio generale seguito per definire la verifica di prestazioni, i test e i metodi di analisi è il cosiddetto Four shell approach o Four shell model. Secondo tale approccio, si distinguono quattro diversi livelli (shells) di integrazione, come rappresentato in figura 4. - Shell 1: prestazione del sensore. Riguarda la verifica del solo sensore. La scelta del mover su cui disporre il sensore spetta al costruttore di quest ultimo. I test proposti prendono spunto dalla norma DIN [14]. - Shell 2: prestazione del sensore integrato. Riguarda la verifica dell integrazione del sensore sulla CMM, includendo i disturbi provenienti dal cablaggio. Il mover per i test è la CMM su cui dev essere montato il sensore. Allo stato attuale solamente OSIS copre le verifiche per questo livello; non esistono altre norme o linee guida riguardanti questa verifica. - Shell 3: prestazione del sistema. Riguarda la verifica dell intero sistema di misura, costituito da CMM e sensore integrato. I test sono eseguiti nel rispetto delle norme attualmente in vigore; in particolare quelle della serie ISO [4] e le linee guida VDI parte 6 [5], [6], [7]. 4

5 - Shell 4: prestazione dell applicazione. Riguarda la verifica della particolare misura eseguita dall utente, sul task specifico di misura e nelle condizioni particolari definite dall utente stesso. Le norme applicabili sono quelle della serie [12], peraltro ancora in via di definizione, e la Guida GUM [9]. 4: Prestazione dell applicazione 3: Prestazione del sistema 2: Prestazione dell integrazione 1: Prestazione del sensore Test per la verifica di prestazioni Figura 4: Four shell model. Le procedure messe a punto da OSIS/WG3 per la verifica di prestazioni sono definite secondo criteri molto generali, che ne permettono l applicazione in modo del tutto indipendente dalle condizioni di applicazione del test e dai campioni su cui si eseguono le misure di verifica. Le procedure, inoltre, possono essere applicate a ciascun livello del Four shell model (v. Tabella 1). Tabella 1: correlazione tra test e livelli del Fuor shell model (A = test applicabile). Tipo di Test Shell Test 1 Ripetibilità A A A Test 2 Riproducibilità locale A A A Test 3 Riproducibilità nel range operativo A A A Test 4 Probing deviation sul feature range A A A Test 5 Errore nella misura punto a punto di un sfera A A A Test 6 Errore nella misura in scansione di una sfera A A A Test 7 Errore di misura 2D su un anello A A A Test 8 Test di multi-orientazione A A I test proposti sono distinti in: - test di accettazione e di verifica periodica (acceptance and reverification tests), - test diagnostici (diagnostic tests). I primi sono fondamentali per la verifica di accettazione del sistema (shell 3) e devono stabilire l accettabilità del sistema nel rispetto delle norme e procedure correntemente già disponibili. I secondi, invece, sono fondamentali per gli altri livelli di integrazione (shell 1, 2 e 4) e permettono di analizzare le prestazioni di misura nel tempo, separando errori di tipo sistematico da quelli casuali. A seconda del livello di integrazione a cui viene applicato, ciascun test può essere considerato obbligatorio o facoltativo. Tutti i test proposti devono essere riferibili. Campioni Gli elementi geometrici attualmente impiegati come campioni per la verifica di prestazioni includono piani, sfere e fori cilindrici. La definizione dettagliata dei campioni, tuttavia, non è ancora stata messa a punto ed è una delle prossime priorità di OSIS/WG3. In particolare si devono definire: - forma e dimensioni degli elementi geometrici, - parametri superficiali (rugosità, colore, ecc.), - materiale. Tali caratteristiche influenzano in modo significativo le prestazioni del sensore e, in attesa che siano definite in una futura versione della documentazione OSIS, devono essere scelte di comune accordo tra fornitore e cliente. 5

6 CONCLUSIONI La Reverse Engineering: potenzialità e applicazioni La standardizzazione delle interfacce sensore-macchina di misura e la definizione di procedure comuni per le prove di accettazione e di verifica periodica dell accuratezza dei sistemi di misura ottici sono argomenti che richiedono ulteriore lavoro di ricerca e normazione per affrontare problematiche attualmente irrisolte. A fronte delle lacune dell attuale quadro tecnico-normativo internazionale, i principali costruttori di macchine di misura a coordinate e i più importanti costruttori di sensori ottici hanno intrapreso una iniziativa di cooperazione internazionale di ricerca industriale: il progetto OSIS. Tale progetto, che allo stato attuale è ancora in corso di svolgimento, ha già prodotto alcuni primi documenti che intendono regolare le procedure comuni da impiegare per le prove di verifica dell accuratezza dei sistemi di misura ottici. Le procedure generali definite da OSIS, che saranno presto integrate da una più dettagliata definizione dei test e dei campioni da utilizzare, costituiscono un riferimento fondamentale per il confronto, la scelta e il collaudo dei sistemi. BIBLIOGRAFIA [1] J. Clark, Implementing Non-Contact Digitisation techniques within the mechanical design process, Sensor Review, Vol. 20, n. 3, p , [2] Carbone V., M.Carocci, Savio E., Sansoni G., De Chiffre L., Combination of a vision system and a coordinate measuring machine for the reverse engineering of free-form surfaces, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Springer-Verlag London, 17: , [3] L. De Chiffre, H.N. Hansen, Metrological limitations of optical probe techniques for dimensional measurements, Annals of CIRP, Vol. 44, n. 1, p , [4] ISO 10360, Geometrical Product Specifications (GPS) Acceptance tests and reverifications test for coordinate measuring machines (CMM), Parts 1, 2, 3, 4, 5 and 6, ISO. [5] VDI/VDE 2617 part 6:1997, Accuracy of coordinate measuring machines Characteristic parameters and their verification Coordinate measuring machines with optical probes basics, VDI, 1997 (in fase di revisione). [6] VDI/VDE 2617 part 6.1:1998, Accuracy of coordinate measuring machines Characteristic parameters and their verification Coordinate measuring machines with optical probes Sensors for 2D measurement, VDI, 1998 (in fase di revisione). [7] VDI/VDE 2617 part 6.2:1999, Accuracy of coordinate measuring machines Characteristic parameters and their verification Coordinate measuring machines with optical probes Optical sensors for one-dimensional distance measurement, VDI, 1999 (in fase di revisione). [8] VIM: International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology, BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML, 2nd edition, [9] UNI CEI ENV 13005:2000, Guida all'espressione dell'incertezza di misura, Ente Nazionale Italiano di Unificazione, [10] ISO :1999, Geometrical Product Specifications (GPS) Geometrical features Part 1: General terms and definitions, International Organization for Standardization, [11] UNI EN ISO :2001, Specifiche geometriche dei prodotti (GPS) Verifica mediante misurazione dei pezzi e delle apparecchiature per misurazioni Regole decisionali per provare la conformità o non conformità rispetto alle specifiche, Ente Nazionale Italiano di Unificazione, [12] ISO/TS :2003, Geometrical Product Specification (GPS) Coordinate Measuring Machines (CMM): Techniques for evaluation of the uncertainty of measurement Part 3: Use of calibrated workpieces or standards, International Organization for Standardization, [13] ANSI/ASME B89.4.1:1997, Methods for performance evaluation of coordinate measuring machine, American National Standards Institute, [14] DIN 32877:2000, Optoelectronic measurement of distance, profile and form, DIN, [15] VDI/VDE 2634 part 1:2002, Optical 3D measuring systems Image systems with pointby- point probing, Verein Deutscher Ingenieure, [16] VDI/VDE 2634 part 2:2002, Optical 3D measuring systems Optical systems based on area scannino, Verein Deutscher Ingenieure, [17] OSIS WG3: Specifications, classifications and performance verifications, Documentation, Draft V1.0b, 13 April [18] Sito web OSIS, consultato in data 13 aprile